Учебники и учебные пособия / Информационный анализ и автоматизированное проектирование станций биохимической очистки. Учебное пособие

Е.Н. Малыгин, Н.С. Попов, В.А. Немтинов, С.Я. Егоров, В.Г. Однолько

ИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ И АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

СТАНЦИЙ БИОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ

Издательство ТГТУ

Министерство образования Российской Федерации

Тамбовский государственный технический университет

Е.Н. Малыгин, Н.С. Попов, В.А. Немтинов, С.Я. Егоров, В.Г. Однолько

ИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ И АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТАНЦИЙ БИОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов

высших учебных заведений, обучающихся по специальности 071900 – «Информационные системы и технологии»

Тамбов Издательство ТГТУ

2004

УДК 54.058(075)

ББК Н76я73

И741

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор, председатель комитета по науке и инновационной политике

Администрации Тамбовской области

В.Г. Матвейкин

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой компьютерного и математического

моделирования ИМФИ ТГУ им. Г.Р. Державина

А.А. Арзамасцев

Доктор технических наук, профессор кафедры САПР ТГТУ

Ю.В. Литовка

Малыгин Е.Н., Попов Н.С., Немтинов В.А., Егоров С.Я., Однолько В.Г.

И741 Информационный анализ и автоматизированное проектирование станций биохимической очистки: Учебное пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. 120 с.

В учебном пособии на примере решения задачи проектирования станций биохимической очистки сточных вод показаны подходы к автоматизации выполнения проектных работ, разработке имитационных моделей информационных процессов, математических методов моделирования информационных процессов и систем, планирования имитационных экспериментов с моделями; формализации и алгоритмизации информационных процессов, статистического моделирования на ПЭВМ, оценки точности и достоверности результатов моделирования и др.

Данное пособие предназначено для студентов специальности 071900 «Информационные системы и технологии» в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования (направление подготовки дипломированного специалиста 654700 – «Информационные системы») и может быть использовано в качестве дополнительного материала при изучении следующих дисциплин: «Моделирование систем», «Проектирование информационных систем», «Представление знаний в информационных системах» и др. Оно также будет полезно студентам специальностей 170500 – «Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов» и 330200 – «Инженерная защита окружающей среды» при изучении дисциплины «Оборудование промышленной экологии»; учащимся магистратуры по программе 551819 – «Информационные системы технологических машин».

УДК 54.058(075)

ББК Н76я73

ISBN 5-8265-0272-Х

©Малыгин Е.Н., Попов Н.С., Немтинов В.А., Егоров С.Я., Однолько В.Г., 2004

©Тамбовский государственный технический университет

(ТГТУ), 2004

Учебное издание

Малыгин Евгений Николаевич, Попов Николай Сергеевич, Немтинов Владимир Алексеевич, Егоров Сергей Яковлевич, Однолько Валерий Григорьевич

ИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ И АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТАНЦИЙ БИОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ

Учебное пособие

Редактор Т.М. Глинкина Компьютерное макетирование Е.В. Кораблевой

Подписано в печать 05.03.04 Формат 60 × 84 / 16. Бумага офсетная. Печать офсетная

Гарнитура Тimes New Roman. Объем: 6,87 усл. печ. л.; 6,8 уч.-изд. л.

Тираж 100 экз. С. 187 Издательско-полиграфический центр

Тамбовского государственного технического университета, 392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14

ВВЕДЕНИЕ

В России охране окружающей среды всегда уделялось большое внимание. В настоящее время принято много законодательных актов, направленных на сохранение, рациональное использование, расширенное воспроизводство и развитие природных ресурсов, федеральные законы «Об охране окружающей среды» [67], «Об охране атмосферного воздуха» [68], «О животном мире» [69] и др. Контроль за соблюдением требований законодательств осуществляется Министерством природных ресурсов РФ.

Основными антропогенными объектами, функционирование которых во многих случаях приводит к нарушению состояния равновесия природной среды, являются промышленные предприятия. Под промышленным предприятием подразумевается планово формируемая совокупность взаимосвязанных объектов, которые созданы для совместного решения одной или нескольких народнохозяйственных проблем, сконцентрированы на ограниченной территории, обеспечивают не только эффективное (с позиций народного хозяйства страны) использование местных и полученных извне ресурсов, но и охрану окружающей среды.

Во многом степень загрязнения природной среды зависит от технологии получения готовой продукции. Так, например, в настоящее время большинство химических процессов ведется в водных растворах, которые потом идут в стоки, в то время как известны и процессы химии твердого тела, не нуждающиеся в применении воды и растворителей. Допущенные просчеты при выборе технологии и в оценке степени загрязнения окружающей среды при бурном развитии химических производств привели к загрязнению водоемов, кислотным дождям, гибели отдельных видов растений и животных, угрозе здоровью людей и т.п. По мнению академика Н.С. Ениколопова, при действующем критерии экономичности проектов, требующем снижения капитальных и текущих затрат на создание любого производства, часто жертвуют всем «лишним» и в первую очередь «отягощающими» проект системами очистки отходов.

Основным средством исследования взаимодействия производственных технологических систем (ПТС) с природной и социальной средой является математическое моделирование. Оно позволяет выявить возможные изменения физических, химических и биологических состояний окружающей среды, вызванные деятельностью ПТС. Другими словами, с помощью математических моделей можно оценить «экологичность» ПТС через изменение параметров природной среды.

Степень экологической опасности ПТС, по предложению академика Б.Н. Ласкорина, необходимо оценивать по количеству и составу образующих отходов [31]. На основании знаний о количественном и качественном составе отходов можно прогнозировать ущерб, наносимый природе и обществу, и в зависимости от его величины принимать решения по выбору технологических процессов ПТС [24]. При реализации такого подхода возникают серьезные трудности, связанные со сложностью разработки моделей переноса и диффузии примесей в атмосферном воздухе, воде, почве с учетом их физических и биохимических превращений, состоянием сред и т.п., а также отсутствием точных методов расчета всех видов ущерба, наносимого природе и обществу в стоимостном выражении. В процессах, возникающих вследствие воздействия ПТС на окружающую среду, исходя из их специфики и пространственновременных масштабов, можно условно выделить три уровня изменений:

−физико-химические превращения, происходящие в атмосфере, гидросфере и литосфере;

−биологические реакции, происходящие в живых организмах;

−социально-экономические последствия.

Одним из важных компонентов окружающей среды является водная среда. Проблема охраны водных ресурсов в рамках проектирования ПТС традиционно рассматривается в комплексе с решением проблемы водообеспечения промышленности и городов. После того, как вода проходит через технологические процессы на предприятиях или используется в хозяйственно-бытовых целях, она теряет свое качество и отрицательно влияет на санитарное состояние природных водоемов – приемников сточных вод. Прогнозирование качества воды в водоемах, осуществляемое для всех нормируемых показателей по математическим моделям, позволяет определить необходимую степень очистки сточных вод [17]. В общем виде состояние водной среды можно представить в виде следующей функциональной зависимо-

сти:

c = f (c0 , m, p, l, g, r) ,

где c0 , c – соответственно состояние водной среды до и после загрязнения; m – метеоусловия, влияющие на режим смешения, биологические процессы и т.п.; p – множество типов примесей, поступающих в водную среду; l – гидрологические факторы; g – геометрия природного водоема (глубина, площадь поверхности, форма и т.п.); r – биологические и биохимические реакции, происходящие в водоеме.

При размещении, технико-экономическом обосновании проекта и проектировании ПТС, оказывающих прямое либо косвенное влияние на состояние окружающей природной среды, должны выполняться требования экологической безопасности и охраны здоровья населения, предусматриваться мероприятия по охране природы, рациональному использованию и воспроизводству природных ресурсов, оздоровлению окружающей природной среды. Запрещается ввод в эксплуатацию объектов, не обеспеченных современными экологически чистыми технологиями, сооружениями и установками по очистке, обезвреживанию и утилизации вредных отходов, выбросов и сбросов до уровня предельно допустимых нормативов, средствами контроля за загрязнением окружающей природной среды, без завершения запроектированных работ по охране природы и оздоровлению окружающей природной среды.

Выполнение этих требований во многом зависит от решения задач расчета аппаратурного оформления всех основных и вспомогательных процессов проектируемых производств, в том числе и процессов утилизации отходов.

Окончательный вариант технологических процессов по переработке газообразных, жидких и твердых отходов принимается после детального рассмотрения каждого варианта из множества допустимых, решения для него задачи расчета оборудования, оптимизации технологических параметров и выбора наилучшего в зависимости от принятого критерия оптимальности.

1 ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА И МЕТОДЫ ОЧИСТКИ

СТОЧНЫХ ВОД ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Под качеством воды в целом понимается характеристика ее состава и свойств, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования (ГОСТ 17.1.1.01–77), при этом критерии качества представляют собой признаки, по которым производится оценка качества воды.

Предельно допустимая концентрация в воде водоема хозяйственно-питьевого и культурно-

бытового водопользования (ПДКв) – это максимальная концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни и на здоровье последующих поколений, и не должна ухудшать гигиенические условия водопользования.

Предельно допустимая концентрация в воде водоема, используемого для рыбохозяйственных целей (ПДКвр) – это максимальная концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать вредного влияния на популяции рыб, в первую очередь промысловых.

Нормирование качества воды состоит в установлении для водного объекта совокупности допустимых значений показателей состава и свойств воды, в пределах которых надежно обеспечиваются здоровье населения, благоприятные условия водопользования и экологическое благополучие водного объекта.

Правила охраны поверхностных вод устанавливают нормы качества воды водоемов и водотоков для

условий хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и рыбохозяйственного водопользования. Вещество, вызывающее нарушение норм качества воды, называют загрязняющим.

Ряд показателей позволяет судить об общей загрязненности воды и степени загрязнения биологически окисляемыми веществами. К ним относятся: органолептические (цвет, вкус, запах, прозрачность, мутность); плотность; pH; температура; электропроводность; щелочность; кислотность; жесткость; содержание солей, общего азота, взвешенных веществ и т.д. Оценку эффективности работы очистных сооружений проводят по следующим показателям: ХПК, БПК, pH, температура и др.

О к и с л я е м о с т ь п е р м а н г а н а т н а я и б и х р о м а т н а я . В е л и ч и н а , х а -

р а к т е р и з у ю щ а я с о д е р ж а н и е в в о д е о р г а н и ч е с к и х и м и н е р а л ь н ы х в е щ е с т в , о к и с л я е м ы х о д н и м и з с и л ь н ы х х и м и ч е с к и х о к и с л и т е л е й п р и о п р е д е л е н н ы х у с л о в и я х , н а з ы в а е т с я о к и с л я е м о с т ь ю . С у щ е с т в у - е т н е с к о л ь к о в и д о в о к и с л я е м о с т и в о д ы : п е р м а н г а н а т н а я , б и х р о - м а т н а я , и о д а т н а я , ц е р и е в а я . Н а и б о л е е в ы с о к а я с т е п е н ь о к и с л е н и я д о с т и г а е т с я м е т о д а м и б и х р о м а т н о й и и о д а т н о й о к и с л я е м о с т и в о д ы . П о к а з а т е л ь о к и с л я е м о с т и в е щ е с т в х и м и ч е с к и м с п о с о б о м н а з ы в а е т - с я х и м и ч е с к и м п о т р е б л е н и е м к и с л о р о д а ( Х П К ) . Х П К в ы р а ж а е т с я в

м и л л и г р а м м а х к и с л о р о д а , р а с х о д у е м о г о н а о к и с л е н и е о р г а н и ч е с к и х в е щ е с т в , с о д е р ж а щ и х с я в 1 д м 3 в о д ы .

Перманганатная окисляемость – это количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого перманганата калия. Методика определения показателя основана на окислении веществ, присутствующих в сточной воде, 0,01 %-ным раствором перманганата калия в сернокислой среде (мг О2/л H2O).

Методика определения ХПК основана на окислении веществ, присутствующих в сточных водах, 0,25 %-ным раствором бихромата калия (K2Cr2O7) при кипячении в течение 2 часов в 50 %-ном растворе (по объему) H2SO4 (мг/л).

В в о д о е м а х и в о д о т о к а х , п о д в е р ж е н н ы х с и л ь н о м у в о з д е й с т в и ю

х о з я й с т в е н н о й д е я т е л ь н о с т и ч е л о в е к а , и з м е н е н и е о к и с л я е м о с т и в ы с т у п а е т к а к х а р а к т е р и с т и к а , о т р а ж а ю щ а я о б щ е е к а ч е с т в о с т о ч - н ы х в о д . Д л я п р и р о д н ы х м а л о з а г р я з н е н н ы х в о д р е к о м е н д о в а н о о п - р е д е л я т ь п е р м а н г а н а т н у ю о к и с л я е м о с т ь ; в б о л е е з а г р я з н е н н ы х в о - д а х о п р е д е л я ю т , к а к п р а в и л о , б и х р о м а т н у ю о к и с л я е м о с т ь . В с о о т - в е т с т в и и с требованиями к составу и свойствам воды водоемов у пунктов питьевого водопользования величина ХПКне должна превышать 15 мг O2/дм3; взонах рекреации в водных объектах допускается

величина ХПК до 30 мг O2/дм3.

Б и о х и м и ч е с к о е п о т р е б л е н и е к и с л о р о д а ( Б П К ) . С т е п е н ь з а г р я з н е н и я в о д ы б и о р а з л а г а е м ы м и о р г а н и ч е с к и м и с о е д и н е н и я м и

о п р е д е л я ю т к а к к о л и ч е с т в о к и с л о р о д а , н е о б х о д и м о е д л я и х о к и с л е н и я м и к р о о р г а н и з м а м и в а э р о б н ы х у с л о в и я х . Б и о х и м и ч е с к о е

о к и с л е н и е р а з л и ч н ы х в е щ е с т в п р о и с х о д и т с р а з л и ч н о й с к о р о с т ь ю . К л е г к о о к и с л я ю щ и м с я ( « б и о л о г и ч е с к и м я г к и м » ) в е щ е с т в а м о т н о с я т

р е з о р ц и н , п и р о к а т е х и н и д р . М е д л е н н о р а з р у ш а ю т с я « б и о л о г и ч е с к и ж е с т к и е » в е щ е с т в а , т а к и е к а к г и д р о х и н о н , с у л ь ф о н о л и д р .

Полная биологическая потребность в кислороде БПКп для внутренних водоемов рыбохозяйственного назначения при 20 °С не должна превышать 3 мг O2/дм3. В противном случае рыба задыхается из-за отсутствия кислорода, растворенного в воде.

В лабораторных условиях наряду с БПКп определяется БПК5 – биохимическая потребность в кислороде за 5 суток. Определение БПК5 в поверхностных водах используется с целью оценки содержания биохимически окисляемых органических веществ и в качестве интегрального показателя загрязненности воды.

Вопросам математического моделирования и проектирования процессов по очистке сточных вод ПТС в настоящее время уделяется много внимания. В зависимости от качественного состава сточных вод получили развитие различные методы очистки. Чаще всего они используются в комплексе: каждая

стадия очистки ответственна за определенный тип примесей.

Для удаления взвешенных примесей из сточных вод используют процессы гидромеханического отстаивания, фильтрования, флотации и др.

Как правило, механическая очистка является предварительным, реже – окончательным этапом для очистки производственных сточных вод. Она обеспечивает выделение взвешенных веществ из этих вод до 90 – 95 % и снижение органических загрязнений (по показателю БПКп) до 20 – 25 %.

Выбор метода очистки сточных вод от взвешенных частиц осуществляется с учетом кинетики процесса. Размеры взвешенных частиц, содержащихся в производственных сточных водах, могут колебаться в очень широких пределах (возможные диаметры частиц составляют от 5 10−9 до 5 10−4 м), для частиц размером до 10 мкм конечная скорость осаждения составляет менее 10−2 см/с. Если частицы достаточно велики (диаметром более 30 – 50 мкм), то в соответствии с законом Стокса они могут легко выделяться отстаиванием (при большой концентрации) или процеживанием, например через микрофильтры (при малой концентрации). Коллоидные частицы (диаметром 0,1 – 1 мкм) могут быть удалены фильтрованием, однако из-за ограниченной емкости фильтрующего слоя более подходящим методом при концентрации взвешенных частиц более 50 мг/л является ортокинетическая коагуляция с последующим осаждением или осветлением во взвешенном слое.

Физико-химические методы очистки сточных вод (сорбция, флотация и др.) предназначены для удаления мельчайших (твердых и жидких) взвешенных частиц, растворенных газов, в том числе органических соединений, не подлежащих биохимическому окислению. Так, сорбционная очистка может применяться самостоятельно и совместно с биологической очисткой как метод предварительной и глубокой очистки. Преимуществами этого метода являются возможность адсорбции веществ многокомпонентных смесей и, кроме того, высокая эффективность очистки, особенно слабо концентрированных сточных вод.

Флотация используется для очистки сточных вод, содержащих поверхностно-активные вещества (ПАВ), нефтепродукты, масла, волокнистые материалы.

Химические методы (нейтрализация, окисление, восстановление и др.) способствуют очищению производственных стоков от растворенных и взвешенных частиц, а также используются как предварительная мера перед биологической очисткой или после нее для доочистки сточных вод.

Биохимические методы применяются для обезвреживания как промышленных, так и хозяйствен- но-бытовых сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических соединений. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти соединения для своего питания. При аэробной очистке колонии микроорганизмов в хлопьях активного ила или в виде биопленки функционируют в естественных условиях (биологические пруды, поля фильтрации, поля орошения), а также в искусственных сооружениях (аэротенках, биофильтрах и др.).

Для обезвреживания минерализованных стоков применяют термические методы, позволяющие выделить из них соли с получением условно чистой воды, пригодной для оборотного водоснабжения. На рис. 1.1 показана схема переработки и обезвреживания сточных вод, содержащих органические соединения.

В данной работе ограничимся перспективным и наиболее экономичным биохимическим способом обработки сточных вод [2]. Данный способ очистки является характерным для очень многих производств, включая химические.

При проектировании очистных сооружений должны решаться задачи:

−максимально возможного изъятия загрязняющих веществ в очищаемых сточных водах;

−нахождения аппаратурного решения и технологического режима очистки сточных вод, позволяющего минимизировать уровень отрицательного воздействия ПТС на окружающую среду;

−обеспечения барьерной функции биохимических сооружений – предотвращения попадания концентрированных жидких отходов ПТС в водоемы – приемники очищенных сточных вод.

При выборе варианта технологической схемы биохимической очистки необходимо учитывать следующее:

экономического сравнения по приведенной стоимости на строительство и эксплуатацию сооружений. Расчет конструктивных размеров отдельных сооружений и технологических параметров при этом производится по критериям оптимальности: максимального эффекта очистки либо минимального объема сооружений. Существенным недостатком подхода, описанного в СНиП, является то, что он ориентирован на традиционный подход к расчету, использующий справочную литературу, диаграммы, таблицы и т.д., что затрудняет его применение в компьютеризированном учебном процессе. В связи с этим при сравнении альтернативных вариантов аппаратурного оформления очистных сооружений по техникоэкономическим показателям ограничиваются всего лишь несколькими вариантами из достаточно большого множества допустимых. При решении задачи размещения объектов очистных сооружений на генплане проектировщики затрудняются с расчетами вариантов привязки станций БХО на местности из-за отсутствия соответствующих программных комплексов.

Всовременных условиях развития производств решение задачи оптимального проектирования станций очистки сточных вод приобретает особую важность. Большую сложность представляет проектирование очистных сооружений для химических предприятий, характеризующихся многоассортиментными малотоннажными производствами (производства химических красителей и полупродуктов, фармацевтических препаратов, кино- и фотоматериалов и др.). К распространенным видам жидких отходов данного класса производств относятся сточные воды, у которых постоянно меняются: расход, концентрации БПК, ХПК, органических соединений и т.д.

Существует достаточно обширный список публикаций, в которых авторы предлагают использовать при решении задачи проектирования станции биохимической очистки (БХО) математические модели, описывающие процессы биохимических превращений. Сотрудниками ВНИИ ВОДГЕО, МИСИ, ГИСИ, ИВП АН РФ, а также учеными зарубежных стран выполнен большой объем научно-исследовательских работ по созданию математических моделей и подходов к оптимизации аппаратов и сооружений станции БХО. Анализ этих работ позволяет сделать вывод о том, что очистные сооружения необходимо рассматривать как сложную техническую систему, состоящую из значительного числа технологических процессов и стадий. Однако применение методов математического программирования позволяет значительно повысить качество проектного решения.

Внастоящее время при проектировании станций БХО степень необходимой очистки сточных вод находят по ряду показателей: количеству взвешенных веществ, потреблению растворенного кислорода, допустимой концентрации БПК смеси речных и сточных вод (при сбросе очищенных сточных вод в реки), ПДК водных примесей. Так как природные водоемы в большинстве случаев являются приемниками очищенных сточных вод, то при расчете данных показателей руководствуются «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» [20]. При прогнозировании качества воды в водном объекте должны быть учтены следующие требования в математической модели этого объекта:

−обеспечена необходимая разрешающая способность модели во времени и пространстве;

−точность прогноза, соответствующая поставленным целям;

−полнота описания качества воды с точки зрения предъявляемых к этому объекту требований;

−способность использовать начальные данные и повышать точность прогноза при наличии новой информации об объекте и процессах, происходящих в нем.

Сложность построения математической модели водного объекта определяется многочисленностью биологических видов в водной системе, пространственной неоднородностью водных объектов и др.

[35].Согласно классификации, предложенной в работе [35], различают следующие основные типы моделей, основанных на уравнении диффузии: 1) «одностадийные» и «многостадийные» модели «полного» смешения; 2) модели «идеального» вытеснения; 3) модели «дисперсионного» типа, учитывающие явления диффузии; 4) модели «конечно-разностного» типа.

В заключении отметим общие недостатки, имеющие место при проектировании производств по утилизации отходов ПТС:

−в большинстве случаев решение природоохранных задач базируется на упрощенных математических моделях, которые не способны приводить к выполнению требований по охране окружающей среды в случае их реализации;

−известные методики решения задач промышленной экологии ориентированы на традиционные